浅谈《工程力学》课程教学中力学检算能力的培养

陕西 金花 王长友 张碧

高职教育即以适应社会需要为目标，培养技术应用型人才。这就要求教师要以“应用”为主旨和特征构建课程体系。尤其是工科院校更应如此，但就目前大多数高校来说，在工程力学课程的教学中普遍存在理论与实际脱节，学生很少有建模的意识和能力等现象，从而使学生的力学分析及检算能力相对薄弱。因此，教师要多提生活或工程中的实际问题，善于鼓励和引导学生独立思考并从中提炼出相应的力学问题，以此来培养学生的力学分析和检算能力。

1 课程体系及其主要内容

工程力学这门课程主要涉及了三大部分内容，即理论力学部分、材料力学部分和结构力学部分。理论力学部分主要介绍了静力学部分，该部分主要研究结构的受力分析及平衡问题，其中受力分析和受力图是学习的重点和难点，这部分内容为材料力学和结构力学的学习提供了解决问题的思路和方法。材料力学部分主要研究构件在四种基本变形及其组合变形条件下的强度和刚度问题，为将来设计安全合理的构件奠定理论基础。结构力学部分在工程力学课程中所占比例较少，主要介绍了超静定结构的计算方法。因此，同学们只有理清工程力学中的相关知识脉络，掌握规律，从本质上理解，才能使知识融会贯通，浑然一体。

2 工程案例在工程力学教学中的应用

在工程力学课程教学中，我们首先要选择让学生感兴趣且与课程教学内容相关的工程案例，结合教学内容进行引导。

2.1 受力分析能力的培养

物体的受力分析贯穿于整个力学学习的始终，是力学学习中的重点和难点。所谓受力分析就是要在受力图中标出所有的主动力和约束反力。主动力是已知的，按照构件的实际受力情况照搬即可；关键是约束反力。因此，掌握常见的约束及其约束反力就是学习的重点。在讲解约束及其约束反力时，让同学们找出各种各样的约束实例，比如教室里的灯、电风扇、座椅板凳的约束，门扇与门框之间的约束等等，进而启发同学们自行分析各种约束产生的约束反力，最后归纳总结各种约束及其约束反力的表示方法。

2.2 拉压构件中力学检算能力的培养

在工程史上曾发生过多次由于压杆失稳而导致的重大事故。例如，1907年加拿大魁北克省横跨圣劳伦斯河上的钢结构大桥，在施工中，由于桁架中一根受压弦杆的突然失稳，造成了整个大桥的倒塌，瞬间，该结构成了一堆废铁。因此，对细长压杆进行稳定性计算就显得尤为重要。在引入压杆的稳定性问题时，可以让同学们亲手做一个实验，取两根粗细一样、长度不同的杆。然后给两杆缓慢施加压力会发现：当压力加到一定值时短杆直接断了，且在破坏前一直保持着直线状态；而长杆先发生弯曲，当力再加大时，弯曲迅速加大，杆随即折断，且此时给长杆施加的力远远小于短杆破坏时所施加的力。于是让他们讨论：两根杆件的破坏形态为何不同，为何长杆的承载能力比短杆小？经过分析，同学们就会明白细长杆件破坏前已有直线状态的平衡转化为弯曲状态的平衡，而弯曲状态的平衡不稳定，只要稍加力就会使杆件失去稳定性即压杆失稳了。这也是在工程中避免采用细长杆件的原因。

2.3 剪切构件中力学检算能力的培养

在工程结构中,构件之间通常采用连接件相互连接，比如螺栓、铆钉等。连接件对整个结构的牢固和安全起着重要作用，对其强度分析应予以足够重视。连接件存在三种破坏的可能性：（1）铆钉被剪断；（2）铆钉或钢板发生挤压破坏；（3）钢板由于钻孔，断面受到削弱，在削弱截面处被拉断。要使连接件安全可靠，必须同时满足以上三方面的强度条件。在讲连接件的强度问题时，可以让同学们讨论：一组螺栓采用并列式排列好还是错列式排列好？经过分析计算，同学们就会知道错列式排列方式更加安全、合理。

2.4 扭转构件中力学检算能力的培养

在讲轴的抗扭能力时，为了分析轴的截面形状对其抗扭能力的影响，可以让同学们讨论：相同材料的实心圆轴和空心圆轴面积相同时哪个轴的承载能力大？经过分析计算，同学们很快得出空心轴的承载能力大的结论。这也就解释了在工程中经常采用空心轴的原因。

2.5 弯曲构件中力学检算能力的培养

同学们知道梁在弯曲时，正应力沿截面高度呈线性分布，最大正应力发生在离中性轴最远的上、下边缘处且梁内的最大正应力等于弯矩除以抗弯截面模量。在讲矩形截面梁的抗弯截面模量的计算公式时，可以让同学们观察教室屋顶承重梁的放置方式，教室屋顶承重梁是钢筋混凝土矩形截面梁，梁的放置方式是高度方向尺寸大于宽度方向尺寸。

3 有限元计算软件在工程力学教学中的应用

ANSYS是目前应用最为广泛的大型通用有限元计算软件之一，该软件具有强大的应力及变形分析功能、形象而直观的图形显示特点,若在工程力学的教学中引入该软件，将其巧妙的应用，不仅可以加深学生对基本概念、原理及力学现象的理解，而且可以轻松的让学生掌握四种基本变形下的应力分布规律及变形情况，从而丰富课堂教学内容、扩展学生的知识面，激发学生的学习兴趣、提高学生的力学分析和检算能力。

总之，通过引入工程案例和有限元计算软件教学，不仅可以使学生更好的掌握力学问题的分析方法和计算原理，而且对于培养学生的建模意识和提高学生的力学检算能力有很大帮助。

【注】基金项目：陕西省高等教育教学改革研究项目（编号11GG20）。

[1]邹冬平，等.小议《工程力学》课程教学[J].职业教育分析,2008(2).